基于IEC61850的微網控制技術研究

周虎

摘 要：作為大電網的有效補充和分布式能源的有效利用形式，微網已經引起各國學者的廣泛關注，并且國家也從政策層面給予扶持。然而分布式能源大多經過電力電子設備接口并入電網，不僅慣性小而且具有隨機性、波動性等特點，給電力系統安全穩定運行帶來新的挑戰。本文結合公司實際運行的光儲微網系統，研究了微網的結構、能量管理系統以及經濟運行策略。就地控制保護層負責微電網分布式電源的調節、儲能充放電控制、負荷控制和就地保護;微網中央控制層集中管理分布式電源和負荷，執行調度層下發的指令;微網調度優化管理層由SCADA監控系統和能效管理系統組成，實現微網系統的監控和經濟運行。

關鍵詞： 微網;協調控制;經濟運行;IEC61850

近年來可再生和綠色分布式發電系統滲透率不斷提高，風力發電、光伏發電等可再生能源出力的強間歇性、隨機性和弱支撐性的特點，其動態特性給微電網系統的穩定運行帶來較大影響，促使發電方式、輸配電方式和電能使用方式出現新的變革。微網是分布式電源的有效組織形式，因此針對微網穩定性問題得到了廣泛的關注和研究。為應對微網的大規模發展，全面深入揭示微電網的運行機制，微電網的穩定性和經濟性分析方法方面亟待進一步探討與研究。本文針對微網大規模發展的背景下，對近年來國內外微網的穩定性和經濟性技術進行研究，結合公司運行的光儲微網提出分層控制方法，并開發出一套完整的微網控制系統，實踐表明本系統可以提高微網系統的穩定性和經濟性，對于在其他微網系統應用以及后續微網控制系統的研究有重要的借鑒意義和指導意義。

一、微網的系統結構

1、微網概念

微網是由分布式發電、用電負荷、監控、保護和自動化裝置等組成，是一個能夠基本實現內部電力電量平衡的小型供用電系統。微網分為并網型微網和離網型微網。一般通過單點接入大電網，即從電網端看進去微網是一個可控發電單元或者負荷。獨立運行時一般需要儲能設備來達到能量瞬間平衡，儲能裝置是維持系統暫態穩定必不可少的設備。微網一般接入多種分布式能源，實現多能互補，能源高效利用、 滿足用戶多種能源需求、提高供電可靠性等目的。

2、微網系統結構

微網是規模較小的分散的獨立系統，它采用了大量的現代電力技術，將燃氣輪機、風電、光伏發電，燃料電池，儲能設備等并在一起，直接接在用戶側。對于大電網來說，微電網可被視為電網中的一個可控單元，它可以在數秒鐘內動作以滿足外部輸配電網絡的需求;對用戶來說，微網可以滿足他們特定的需求，如增加本地可靠性、降低饋線損耗、保持本地電壓穩定、通過利用余熱提高能量利用的效率及提供不間斷電源等。

3 光伏發電原理簡介

并網光伏發電系統通過光伏電池組件將太陽輻射能量直接轉換成電能，不經過蓄電池儲能，直接通過并網逆變器，把電能送上電網的發電系統。它主要由光伏電池方陣、匯流箱、并網逆變器、直流控制柜、交流控制柜等部分組成。白天有日照時，光伏電池方陣發出的電經過并網逆變器將電能直接輸送到交流電網上，或將太陽能所發出的電經過并網逆變器直接為交流負載供電。并網光伏發電系統有陽光時就發電，無陽光時就停止，所發的電能通過并網逆變器直接分配到負載上，發電量不足部分由市電電網直接進行補充。

4儲能系統

儲能系統是微網系統的關鍵組成部分，是電能的存儲機構。儲能的主要作用是谷電峰用，調節電能質量，平滑出力保證微網供電的穩定性。儲能系統主要由儲能電池本體、儲能電池管理系統、儲能雙向變流器和隔離變壓器構成。

（1）儲能電池系統具備的主要功能：恒電流充放電、恒功率充放電、變電流充放電、變功率充放電、實時響應中央監控系統的調度、漏電監測。

（2）儲能電池管理系統（BMS）

儲能電池管理系統（BMS）對電池系統的運行參數進行監測，有效地監控電池狀態，對電池組充放電過程進行安全管理，對可能出現的故障進行報警并保護其本體，對電池系統的運行進行優化控制，保證電池安全、可靠、穩定的運行。

二、微網協調控制系統

1、就地控制保護層

就地控制保護層負責微網各分布式電源調節、儲能充放電控制、負荷控制和就地保護，通過就地保護設備和變流器/逆變器實現頻率和電壓的一次調節，就地控制保護層完成微網的故障快速保護，實現微網故障的快速“自愈”。

2、中央協調控制層

微網中央協調控制層集中管理分布式電源和負荷，執行調度層下發的指令，在微網并網運行時實現微網的經濟運行，在離網運行時調節分布式電源出力和負荷實現微網的安全穩定運行。孤島檢測采取主動檢測和被動檢測相結合的方式，當因大電網故障微電網形成孤島時，中央協調控制層可以快速檢測到孤島，避免影響上一級電網自動化裝置動作邏輯。中央協調控制層實現微網的二次調頻調壓功能，保證微電網的經濟穩定運行。

3、調度優化管理層

微網調度優化管理層由SCADA監控系統和能效管理系統組成。

（1）SCADA監控功能

功能主要包括：微網實時數據監測、歷史數據存儲、web信息發布、計劃并離網模式切換，黑啟動，信息告警。

（2）能效管理單元功能

功能主要包括：分布式電源出力與負荷預測、為儲能設備建立合理的充、放電管理策略、提供微網系統故障情況下孤島運行與重合閘的邏輯與控制方法、優化控制微電網系統內冷、熱、電負荷。

三、微網穩定

在并網模式下，儲能帶光伏的系統負荷可以由內部微源或外部市電供電。無論有沒有本地微源支持的電網饋線都可以為負荷供電，因此在穩態和動態運行條件下，都可以得到合適的系統運行狀態。在離網運行模式里，儲能和光伏共同提供可用功率，其中儲能作為支撐電源，保證系統的穩定性，光伏工作于MPPT模式。當光伏出力大于負荷用電時，多余的電能通過儲能系統儲存;當光伏出力小于負荷用電時，通過儲能補償缺額。

四、微網控制系統工程應用

1、離網型運行控制策略：

（1）管理儲能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）穩定直流側母線電壓。

（3）有功功率、無功功率實時調度和低電壓穿越能力。

（4）事件記錄、故障錄波、電能質量分析、過負荷聯切等。

（5）能效分析功能，優化用能。

（6）能量平衡，保證發電、用電的功率平衡。

（7）短路保護。

2、并網型運行控制策略：

（1）管理儲能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）能效分析功能，優化用能。

（3）并離網無縫切換。

（4）短路保護功能。

（5）策略仿真功能。能夠在線仿真不同工況下策略調度算法。

結論：

離網模式運行時，負荷需求完全由系統內部微源和儲能裝置供應，在光伏電池盡力發電以滿足負荷需求的基礎上，經濟調度儲能裝置來滿足剩余電負荷需求。當負荷需求無法得到滿足時，可考慮根據關鍵負荷的重要程度，從低到高依次切除負荷，維持系統電能的供需平衡。

參考文獻

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